裂隙巖體公路隧道地下水滲流規(guī)律研究

葉 飛 耿慶達(dá) 高 朝

（中國(guó)安能集團(tuán)第一工程局有限公司，廣西 南寧 530000）

1 工程概況

工程項(xiàng)目位于四川省西部的甘孜州九龍縣境內(nèi)，項(xiàng)目?jī)?nèi)容包括隧道6 座，隧道進(jìn)出口段圍巖以V 級(jí)圍巖為主，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體破碎；隧道洞身段圍巖級(jí)別以Ⅳ、Ⅲ級(jí)圍巖為主，圍巖較完整，節(jié)理裂隙發(fā)育，呈碎裂、塊狀結(jié)構(gòu)。根據(jù)工程地質(zhì)勘察報(bào)告，場(chǎng)區(qū)內(nèi)分布廣泛的主要為基巖裂隙水，其余為構(gòu)造裂隙水。地下水無色、無味、透明，水質(zhì)類型以Ca-HCO3為主屬弱堿性水。

2 裂隙巖體滲流場(chǎng)分布研究

水在裂隙中的實(shí)際運(yùn)動(dòng)是十分復(fù)雜難測(cè)的，為便于研究，通常進(jìn)行基本假定：當(dāng)水在裂隙中運(yùn)動(dòng)時(shí)充滿整個(gè)裂隙空間，認(rèn)為地下水所受阻力與介質(zhì)阻力一致，針對(duì)水在各類介質(zhì)中的普遍規(guī)律進(jìn)行研究。

在天然地質(zhì)中，巖體中的裂隙將直接影響巖體的各項(xiàng)物理力學(xué)性能以及地下水滲透性能。同時(shí)，地下水滲流場(chǎng)受巖體裂隙應(yīng)力影響較大，反之滲流場(chǎng)的變化又對(duì)巖體應(yīng)力產(chǎn)生影響，這種相互作用稱為滲流應(yīng)力耦合[1]。在山區(qū)隧道中，地下裂隙水滲流時(shí)將帶走部分軟弱巖體或其填充物，導(dǎo)致圍巖強(qiáng)度及穩(wěn)定性降低，運(yùn)營(yíng)期間易出現(xiàn)滲流水現(xiàn)象且該工程中裂隙水為主要地下水類型，分布廣泛，因此基于滲流應(yīng)力耦合作用，進(jìn)行裂隙巖體地下水滲流研究，對(duì)隧道防排水施工與滲漏水治理有至關(guān)重要的作用。

2.1 單裂隙水滲流理論

1852—1855年，法國(guó)科學(xué)家達(dá)西通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，單位時(shí)間內(nèi)，同一斷面內(nèi)的滲流量Q與水流長(zhǎng)度L成反比，與滲透系數(shù)K、水頭差、垂直于水流方向的截面積A成正比，這就是有名的達(dá)西定律[2]，它是滲透的基本定律，如公式（1）所示。

式中：Q為滲流量；K為滲透系數(shù)；A為垂直于水流方向的截面積；?H為水頭差；L為滲流長(zhǎng)度。

由水力學(xué)可知，流經(jīng)某一斷面的水流量等于流速與斷面的乘積，如公式（2）所示。

因此，達(dá)西定律公式可簡(jiǎn)化為公式（3）所示。

式中：V為滲流速度；J為水力坡度，J=?H/L。

與此同時(shí)，根據(jù)經(jīng)典的理想光滑平板單一裂隙網(wǎng)絡(luò)滲流研究基本理論——立方定律[3]可知，單寬流量q如公式（4）所示。

式中：q為裂隙單寬流量；g為重力加速度；d為裂隙寬度；μ為水流運(yùn)動(dòng)黏滯系數(shù)。

根據(jù)公式（3）和公式（4）推導(dǎo)，單裂隙內(nèi)地下水滲流速度計(jì)算如公式（5）所示。

裂隙滲透系數(shù)如公式（6）所示。

然而，理想的平板裂縫在現(xiàn)實(shí)中幾乎不存在，現(xiàn)實(shí)裂隙面粗糙且起伏不一，為體現(xiàn)裂隙面滲流場(chǎng)的影響，裂隙滲透系數(shù)通常進(jìn)行折減，即乘以折減系數(shù)m，則裂隙滲透系數(shù)如公式（7）所示。

2.2 裂隙滲流場(chǎng)分布理論推導(dǎo)

裂隙巖體滲流計(jì)算模型根據(jù)目前應(yīng)用情況，并結(jié)合工程實(shí)際，擬采用等效連續(xù)介質(zhì)模型，該模型理論服從達(dá)西定律，假定地下水滲流環(huán)境為連續(xù)介質(zhì)狀態(tài)，運(yùn)用孔隙介質(zhì)滲流方法，操作簡(jiǎn)單，成果實(shí)用性較好[4]。

在等效連續(xù)介質(zhì)中，滲流場(chǎng)表征為穩(wěn)定滲流與非穩(wěn)定滲流2 種狀態(tài)。對(duì)非穩(wěn)定滲流來說，根據(jù)孔隙介質(zhì)滲流方法，取滲流場(chǎng)中一處微體，結(jié)合達(dá)西滲透定律，聯(lián)合得出非穩(wěn)定滲流基礎(chǔ)方程如公式（8）所示。

式中：H為總水頭；kx、ky、kz為x、y、z方向的滲透系數(shù)；Q為流量；Θ為體積含水率；t為時(shí)間。

受滲流應(yīng)力耦合作用影響，含水率將隨應(yīng)力狀態(tài)變化而變化，但因巖體自身為非力源，即自身不產(chǎn)生或分散荷載，因此含水率只受孔隙水的壓力影響而變化，其變化特性應(yīng)滿足公式（9）。

式中：mw為阻流系數(shù)；uw為孔隙水壓。

同時(shí)由水力學(xué)可知，總水頭H是由計(jì)算處水頭與壓力水頭共同構(gòu)成的，如公式（10）所示。

式中：rw為水體容重；z為計(jì)算處水頭。

根據(jù)公式（8）～公式（10），可得出裂隙滲流場(chǎng)非穩(wěn)定滲流狀態(tài)理論方程，如公式（11）所示。

對(duì)穩(wěn)定滲流來說，因滲流發(fā)生時(shí)水頭上下限處于固定不變狀態(tài)，則單位時(shí)間內(nèi)巖體裂隙中的滲流量不發(fā)生變化，因此，由公式（8）得出裂隙滲流場(chǎng)穩(wěn)定滲流理論方程，如公式（12）所示。

3 裂隙巖體滲流的優(yōu)勢(shì)水力路徑研究

優(yōu)勢(shì)水力路徑既是巖體中地下水沿巖體裂隙發(fā)生滲流現(xiàn)象時(shí)的滲流通道，也是滲流路徑，是裂隙巖體重要的特性之一[5]。研究裂縫巖體滲流的優(yōu)勢(shì)路徑，探索其應(yīng)力環(huán)境與滲流環(huán)境，為控制隧道滲流與施工提供參考。

3.1 優(yōu)勢(shì)水力路徑形成機(jī)理

對(duì)裂隙來說，完整巖體的滲透性能幾乎可以忽略不計(jì)，因此，忽略巖體的滲透性只對(duì)裂隙滲流進(jìn)行研究即研究地下水在裂隙中的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，這就是經(jīng)典的立方定律。由公式（4）各參數(shù)可知，裂隙寬度是影響滲流量的重要因素。由于巖體中不止1 條裂隙且裂隙寬度不同，因此地下水主要流經(jīng)較大裂隙寬度處發(fā)生滲流，即為優(yōu)勢(shì)水流。

通過國(guó)內(nèi)外學(xué)者大量研究表明，巖體中的裂隙大多為非貫通或閉合裂隙，僅10%～20%為貫通裂隙，因此裂隙巖體中只有少部分能形成滲流通道，其余裂隙更多是發(fā)揮保水作用。

3.2 優(yōu)勢(shì)水力路徑應(yīng)力分布特性

巖體中的裂隙因其發(fā)展不規(guī)律的特性，所以始終處于應(yīng)力變化的狀態(tài)，默認(rèn)裂隙中的水體充滿整個(gè)裂隙空間且忽略水體的剪切應(yīng)力（默認(rèn)水體不受剪應(yīng)力）。采用巖體勘察軟件建立巖體模型，并通過SDFN 隨機(jī)裂隙網(wǎng)絡(luò)程序生成裂隙網(wǎng)絡(luò)，結(jié)構(gòu)模型如圖1所示。根據(jù)裂隙受力計(jì)算模型，對(duì)裂隙的σ1、σ2不同賦值進(jìn)行模擬計(jì)算，賦值分組見表1，模擬結(jié)果及流量對(duì)比如圖2所示。

圖1 巖體結(jié)構(gòu)模型及裂隙生成圖

圖2 不同應(yīng)力狀態(tài)裂隙發(fā)展及流量對(duì)比圖

表1 巖體裂隙賦值分組明細(xì)

由圖2 可知，當(dāng)無圍壓時(shí)（圖2（a）），由于滲流水體的自身水壓作用，巖體應(yīng)力有所降低，因此裂隙表現(xiàn)出擴(kuò)張狀態(tài)。而在二向等壓的情況下（圖2（b）），巖體不僅能抵消來自滲流水體的水壓力，還能向裂隙施加正向壓力，使裂隙表現(xiàn)出收縮狀態(tài)。當(dāng)進(jìn)行異邊增壓時(shí)，保持σ2不變，當(dāng)σ1增大時(shí)（圖2（c）），裂隙受到2 個(gè)垂直方向不同的壓力，其壓力差使裂隙承受剪切變形，沿較大壓力方向逐漸收縮，裂隙寬度變小，整體滲透性降低。值得注意的是，當(dāng)壓力持續(xù)增大時(shí)（圖2（d）），裂隙反而呈現(xiàn)整體閉合或急劇收縮現(xiàn)象，這表明當(dāng)巖體壓力超過一定數(shù)值時(shí)，原優(yōu)勢(shì)路徑上的巖體裂隙將發(fā)生突變，阻斷或減弱滲流通道，現(xiàn)實(shí)表征為巖體透水性降低；當(dāng)保持σ1不變，σ2增大時(shí)（圖2（e）），裂隙表現(xiàn)形式與上述異邊增壓情況基本一致（異向同形）。

從不同應(yīng)力狀態(tài)的裂隙流量對(duì)比可知（圖2（f）），巖體中的應(yīng)力狀態(tài)（應(yīng)力環(huán)境）對(duì)裂隙滲透流量有顯著影響，在不同應(yīng)力狀態(tài)中，裂隙受到巖體施加的法向應(yīng)力以及滲流水體施加的切應(yīng)力（理想狀態(tài)除外），使裂隙寬度變化極大，表征為巖體滲透性能的差異，這說明巖體滲透性能對(duì)應(yīng)力環(huán)境尤其敏感，這與裂隙巖體滲流應(yīng)力耦合效應(yīng)相吻合。

4 結(jié)論

該文依托某山嶺隧道工程應(yīng)用場(chǎng)景，對(duì)裂隙巖體地下水滲流場(chǎng)分布的理論推導(dǎo)與滲流優(yōu)勢(shì)水力路徑的模擬研究，揭示裂隙巖體地下水運(yùn)動(dòng)規(guī)律，為隧道防排水施工提供指導(dǎo)，得到以下3 個(gè)結(jié)論：1）以達(dá)西定律為基礎(chǔ)理論，推導(dǎo)出地下水滲流速度計(jì)算公式，并得出符合實(shí)際情況滲流介質(zhì)的滲透系數(shù)表達(dá)式；運(yùn)用等效連續(xù)介質(zhì)模型，推導(dǎo)得出非穩(wěn)定滲流與穩(wěn)定滲流的理論方程，為裂隙巖體滲流場(chǎng)提供評(píng)價(jià)依據(jù)及理論支撐。2）地下水在巖體裂隙中滲流運(yùn)動(dòng)形成的最佳水流通道即為優(yōu)勢(shì)水力路徑，其和滲流介質(zhì)（巖體）的滲透性息息相關(guān)，而巖體滲透性受應(yīng)力環(huán)境影響將對(duì)裂隙寬度產(chǎn)生制約，最終導(dǎo)致滲流量和優(yōu)勢(shì)路徑發(fā)生變化，模擬結(jié)果符合滲流應(yīng)力耦合效應(yīng)。3）通過地下水運(yùn)動(dòng)規(guī)律研究，在以裂隙水為主的山嶺隧道施工過程中，通過理論計(jì)算地下水運(yùn)動(dòng)參數(shù)（水體滲流速度、介質(zhì)滲透系數(shù)等）并進(jìn)行控制（如圍巖注漿、滲水封堵引流等），同時(shí)對(duì)隧道圍巖應(yīng)力狀態(tài)的監(jiān)測(cè)與控制，調(diào)整或改變滲流路徑，在隧道防排水施工中具有指導(dǎo)意義。